(1).研究目的与意义

随着现代社会经济的快速发展，人类对于水资源的开发与利用愈发增加。在人们各种生产、生活的过程中，存在着向自然中排放污水的现象。近些年来，尤其是自从改革开放以来，我国工农业发展迅速，水污染问题也越发突出。水环境污染已成为一个严峻的问题，威胁着人类的经济发展、身体健康。据中国预防医学科学院统计，我国年均污水排放量超过了400亿吨，其中80%以上的污水直接排入了天然水体中，城市中的水域被污染的面积高达90%。由于湖泊水体自净能力相对较弱，湖泊水污染问题更为严重。

升歌湖处于湖北省境内。湖北省由于其湖泊众多的原因，享有“千湖之省”的美誉，武汉市域内四分之一面积均为水域，市内拥有东湖、梁子湖、升歌湖等众多湖泊，又名“百湖之市”，湖泊已成为其人类社会、经济、政治、文化的不可分割的部分。升歌湖为长江冲积而成的天然湖泊，是由北湖、安汊湖、项家汊、胜家湖、汤湖等子湖构成的一个面积广大的水系。随着武汉市城镇化进程的发展，升歌湖流域内的城镇污水排放日益增加，早已超出了其承受能力，流域的生态系统遭到了严重破坏。随着“水十条”等相关文件的出台以及《武汉市水污染防治行动计划工作方案》中提出对升歌湖的考核目标和时限要求，如何应对升歌湖等不达标流域水环境状况，分析污染来源，研究污染防治对策和措施成为了当前工作的重点。

本研究通过对升歌湖2018年水质进行采样、监测、分析，结合历年水质资料，评价水质现状，核算流域内污染源，利用SWAT模型对升歌湖流域非点源污染进行模拟，分析污染物的时空分布特点，通过对升歌湖水环境容量的核算可以清楚的了解目前升歌湖水环境状况，进而能够为升歌湖流域的环境改善提出针对性的建议。本研究不仅可以客观的对升歌湖流域的非点源污染情况进行评价，同时研究方法还可以对类似流域地区提供参考。

(2).国内外的研究现状分析

①SWAT模型发展

（1）国外发展研究
在上世纪60年代，美国等一些发达国家逐渐将关注重点转移到非点源污染上。这个时期主要从对非点源污染定性描述和现象分析两方面来认识非点源污染。
上世纪70年代到80年代，通过科学家的研究与探索，开发出了一些非点源污染的模型，例如能够模拟径流污染的STORM模型、SWMM模型；对流域水文水质进行模拟的HSPF模型；对农业污染进行模拟的自回归滑动平均模型——ARM模型等。这些模型经过了从实测数据的监测到初步对非点源污染进行模拟研究的应用，实现了从简单的统计到复杂的模拟。但是由于当时的客观条件，监测数据的不完整以及当时计算机硬件的落后使得这些模型只能适用于部分小流域。而且这些模型并不能有效的解释污染物迁移转化的机理，因而当时未能大规模推广这些模型。
上世纪80年代到90年代，科学家们主要把一些已有的模型发开应用到非点源污染上来，这段时间有很多具有代表性的模型，例如：WEPP模型、CREAMS模型、ANSWERS模型、AGNPS模型。这些模型可以描述出污染物迁移转化的机理，在对非点源污染进行模拟分析的过程中，还可以对非点源污染的控制管理、经济效益进行分析。这个阶段的模型，已经逐渐从只适合小流域转变到了适用于中等规模流域。
上世纪90年代至今，计算机技术发展迅猛，3S（GIS、RS、GPS）技术也逐渐被运用在了在多项领域。水文学、环境学、地理学等领域也开始运用3S技术。GIS凭借着其强大的空间处理、分析能力备受非点源污染研究专家的青睐，这段时间出现了很多将GIS与非点源污染模型进行耦合的模型，例如：SWAT模型、ANNAGNPS模型、NPSM模型、LSPC模型等一系列以分布式为主的模型，这类模型已经可以适用于大流域非点源污染的模拟，同时还可以对不同的管理措施进行评估。这些模型取得的效果也比较突出。1994年，美国农业部Jeff Arnold博士开发出了SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型。最初，模型是为了预测大流域中的泥沙、水分、化学物质在不同的土壤类型、土地利用方式下的变化情况。
1998年，Dunns等认为SWAT模型、SHE模型、IHDM模型是分布式水文模型中最具有代表性、最优模型，尤其是具有很强的适用性的SWAT模型，是分布式水文模型的典型代表，该模型具有广阔的应用前景。1999年，Arnold和Srinivasan利用GIS处理了一系列土壤图、植被图、地形图，通过制作的图集及输入的参数建立了数据库，并且利用水文数据模拟出了水文循环过程。2000年，Harmel等通过研究，发现SWAT模型自带的天气生成器模块模拟效果优于其他模型模拟结果，天气生成器模块可以利用实测气象数据模拟未来数据。2001年，Andrea等通过SWAT模型的模拟，发现德国中部的径流量与云雀草有着密切的关系，为当地的环境治理、森林覆盖率的保持提出了针对性的建议。2006年Kannan等在利用SWAT模型研究过程中，将两种蒸发方法：Hargreaves、Penman-Montieth和两种径流计算方式：Curve Number、Green and Ampt组合成四种方式，分别在模型中进行模拟，并使模拟结果与实际结果进行对比，最后得出了在他们的研究区内的其最优组合。2006年Tripathi等利用SWAT模型进行研究，通过控制研究区Nagwan流域的子流域划分时的阈值，得出不同子流域个数时的水量平衡结果，最后的结果表明水量平衡与子流域划分个数并无太大关系，子流域划分的个数主要影响蒸发量、下渗量。
（2）国内发展研究
国内对水污染治理的重点之前一直集中在点源污染，对非点源污染的研究起步时间较晚。由于环境条件的不同，国外的某些比较成熟的非点源污染模型还不能完全适用于中国国情，国内对非点源污染研究时间较短，也还未开发出比较成熟的模型。近些年来，随着“3S”技术的引进，国内研究人员逐渐拥有了强有力的工具来研究分析非点源污染，也能开始进行非点源污染模拟工作。目前很多非点源污染模型都是与GIS进行集成，利用GIS强大的空间分析能力、数据管理能力对非点源污染进行模拟。
2003年，杨桂莲等人利用SWAT模型对洛河流域进行研究，对其进行基流估算，利用模型模拟结果对洛河流域进行水环境质量评价。2003年，胡远安等人利用SWAT模型对芦溪流域进行研究，结果表明SWAT模型可以模拟长时间序列的水文过程且模拟结果较为优秀。2005年，张东等人利用SWAT模型研究时，探索了SWAT分布式流域水文物理模型的改进方式。2005年，张银辉总结了SWAT模型的研究进展，并建议根据研究区对模型进行相应的改进，才能更好地利用模型。2006年，秦福来利用SWAT模型对密云水库北部流域进行模拟研究，通过GIS技术与RS技术的结合，利用SWAT模型对密云水库非点源污染的时空变化规律进行分析，提出对非点源污染的控制措施。2006年，车骞利用SWAT模型，对黄河源区进行模拟研究，预测了未来在变化的环境下，水资源的不同响应变化情况。2007年，李宏亮利用SWAT模型对大清河山区进行研究，研究了研究区内土地利用、土地覆被的变化对水文要素的影响。2010年，李小冰利用SWAT模型对秃尾河进行模拟研究，结果表明随着植物覆盖率的增加，流域内径流量逐渐减少，表明流域内林地、草地对径流调蓄有积极的作用。2011年，薛晨利用SWAT模型对产流产沙模拟与模型参数的不确定性进行分析，对流域内水污染治理提供了参考依据。2012年，李爽利用SWAT模型对南四湖流域进行模拟研究，把南四湖分为东西两大片区分别进行模拟、率定研究，最后得出了理想的结果，为南四湖的水污染防治工作提出了建设性的建议。2017年，高正利用SWAT模型对清江流域长阳段进行模拟研究，结果表明流域内氮磷入河量与降雨量有密切关系，降雨量对清江流域长阳段影响较大。
②国内外水污染防治发展历程
20世纪60年代末，许多发达国家就开始采用系统分析方法进行区域水污染防治系统的研究。1972年，美国对Merrimack河区域污水处理系统进行了“最优”规划，结果表明集中处理比分散处理方案要节省40%的费用"。但水污染防治问题是一个复杂的巨系统，中间存在许多非结构化问题，无法由数学模型表达;另一方面，流域水环境管理中很多冲突在结构化过程中被掩盖或回避，故依赖数学模型与运筹学得到的最佳规划方案往往难以落实。目前，西方许多国家已逐步向集成化水环境管理体制过渡，欧美的一些环保机构建立起了水文模拟、水污染控制、水资源规划等功能的流域规划决策支持系统（如BASINS、WATERWARE等）。
我国1973年8月，主要对单个项目的水环境影响评价，强调的是污染治理，依靠“排出口技术”进行污水处理，对污染源实行浓度控制。“六。五”计划首次将环境规划纳入了国民经济和社会发展计划。环境规划开始向区域性规划发展，开始了总量控制作为水污染控制思路的研究。“七。五”、“八。五”攻关中更是开展了大量水环境背景值和水环境容量理论方法的研究。运用了水质数学模型、评价预测模型、系统优化方法等定量分析手段，增强了规划的科学性。“九°五”期间确定12种污染物排放总量的控制指标，标志着我国污染控制由浓度控制进入总量控制阶段。目前，水污染防治规划主要从水环境容量研究入手，进行容量的分配和污染物的削减与控制对策分析。

2. 研究的基本内容与方案

（1）研究目标

本文以升歌湖流域为研究对象，通过SWAT模型，对升歌湖的主要污染物TN、TP进行模拟研究，并由模拟出的污染负荷的空间分布分析升歌湖流域污染态势，利用沃伦威德尔(R.A.Vollenweider)模型利用对升歌湖进行水环境容量核算，进而计算削减容量，为水环境污染防治提供理论支撑。

（2）研究内容